رادیوتلسکوپ یا تداخل‌سنج لیزری؟

امواج گرانشی، بزرگ‌ترین پیش‌بینی نظریه نسبیت عام است که پس از گذشت 95 سال هنوز اثبات نشده؛ اما رادیو‌تلسکوپ‌ها و تداخل‌سنج‌های لیزری رقابتی سخت را برای یافتن نشانه‌هایی از آن آغاز کرده‌اند.

به گزارش خبر آنلاین، اخترشناسان امواج رادیویی با کمک بهترین زمان‌سنج‌های سماوی، کاوش جدیدی را برای یافتن نشانه‌هایی از تغییرات چارچوب فضا در اثر امواج گرانشی آغاز کرده‌اند. این تغییرات که توسط تئوری نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی می‌شود، تاکنون مستقیما مشاهده نشده است؛ اما رویکرد جدید اخترشناسان، رقیبی برای رویکرد پرخرج‌تر ردیابی امواج گرانشی توسط تداخل‌سنج‌های لیزری محسوب می‌شود.

در گزارش نیچر آمده است، از اواخر دهه 1970 / 1350 اخترشناسان دریافته‌اند که امواج گرانشی، زمان رسیدن تابش‌های الکترومغناطیسی را که از تپ‌اخترها سرچشمه می‌گیرند، تحت تاثیر قرار می‌دهد. تپ‌اخترها، ستارگان نوترونی باقیمانده از یک انفجار ابرنواختری هستند که با سرعت سرسام‌آور چند ده تا چند صد بار در ثانیه به دور خود می‌چرخند و تابش‌های الکترومغناطیسی منظمی را گسیل می‌کنند. اخیرا و با کشف چندین تپ‌اختر هزارم ثانیه‌ای که در هر ثانیه هزار بار تابش الکترومغناطیسی گسیل می‌کنند، ایده استفاده از تپ‌اخترها از حالت تئوری به مرحله عملی رسیده است. تابش‌های الکترومغناطیسی این تپ‌اخترها بسیار سریع‌تر و قابل اعتمادتر از تپ‌اخترهای عادی است.

تلسکوپ فضایی پرتوهای گاما فرمی ناسا، موقعیت تعدادی از این ساعت‌های کهکشانی را شناسایی کرده که به اخترشناسان امواج رادیویی اجازه می‌دهد آنها را مورد مطالعه قرار دهند. اخترشناسان با بررسی تغییرات ناچیز در زمان رسیدن تابش‌های الکترومغناطیسی که تنها معادل کسری از ثانیه است، می‌توانند تاثیر احتمالی یک موج گرانشی زودگذر را بر زمین ردیابی کنند. اگر این تلاش‌ها به نتیجه برسد، محققان ابزار جدیدی را برای کشف طوفان‌های کیهانی مانند برخود سیاهچاله‌ها که تصور می‌شود امواج گرانشی را تولید می‌کنند، در اختیار خواهند داشت.

گروه‌های مختلفی در استرالیا، اروپا و آمریکای شمالی بر روی این موضوع کار می کنند. این گروه‌ها رقیب گروه‌های بزرگ‌تر و سرمایه‌دارتری محسوب می‌شوند که از تداخل‌سنج‌های لیزری برای ردیابی امواج گرانشی استفاده می‌کنند. این تداخل‌سنج‌‌ها از دو مسیر چند کیلومتری کاملا یکسان ولی عمود بر یکدیگر تشکیل شده که پرتوهای لیزر درون این مسیرها برقرار است. پرتوهای لیزر از یک منبع منتشر می‌شوند و پس از طی مسیر چند کیلومتری، از آینه دقیق مستقر در انتهای مسیر بازتاب می‌شوند و درنهایت با هم برخورد کرده، به درون آشکارساز هدایت می‌شوند. مسیر طوری تنظیم شده که برخورد پرتوهای لیزر با یکدیگر ویرانگر باشد و این پرتوها با خنثی کردن یکدیگر، فضایی کاملا تاریک در آشکارساز برقرار کنند. اما اگر یک موج گرانشی به این تداخل‌سنج برسد، چارچوب فضا و مقیاس‌های آن در این دو بازو تغییر می‌کند و درنتیجه، پرتوهای لیزر عبوری از آنها از حالت تنظیم‌شده خارج می‌شوند. بنابراین، برخورد آنها با یکدیگر، درخشی عجیب به همراه خواهد داشت که آشکارساز می‌تواند آن‌را تشخیص دهد.

اسکات رنسام، اخترشناس رصدخانه رادیواخترشناسی ملی در شارلوتسویل ویرجینیا، خبر کشف 17 تپ‌اختر هزارم ثانیه‌ای را در گردهمایی هفته گذشته انجمن اخترشناسان آمریکا در واشنگتن اعلام کرد. بنابر اظهارات رنسام، حدود 100 تپ‌اختر هزارم ثانیه‌ای شناخته شده در کهکشان راه‌شیری وجود دارد. با این وجود تعداد اندکی از آنها به میزان کافی روشن و منظم هستند تا با دقت مورد نیاز برای جستجوی امواج گرانشی، بتوان به اندازه‌گیری آنها پرداخت.

برای این‌که بتوان یک موج گرانشی را شناسایی کرد، ابتدا باید بین 20 تا 40 عدد از این تپ‌اخترها را که یک آرایه زمانی تپ‌اختری (Pulsar Timing Array) را تشکیل می‌دهند، به مدت 5 تا 10 سال زیر نظر قرار داد. اما به کمک تپ‌اخترهای هزارم ثانیه‌ای جدید، محققان اطمینان دارند که به زودی آمادگی کافی را برای رقابت با رویکرد دیگر به‌دست می‌آورند.

( توضیح عکس مقابل: موقعیت تپ‌اخترهای میلی‌ثانیه‌ای در کهکشان راه‌شیری در نقشه پایین سمت چپ مشخص شده است. اما چگونه می‌توان از این‌ها برای یافتن امواج گرانشی استفاده کرد؟

1- امواج گرانشی ناشی از ادغام سیاه‌چاله‌های ابرسنگینی که در کهکشان‌های دور قرار دارند، موقعیت زمین را در فضا به آرامی تغییر می‌دهد.

2- تلسکوپ‌های زمینی می‌توانند اختلاف ناچیز در زمان رسیدن فوران‌های رادیویی تپ‌اخترهای میلی‌ثانیه‌ای را که در اثر این جابجایی اندک رخ می‌دهد، اندازه‌گیری کنند.

3- اندازه‌گیری این اثر در آرایه‌ای از تپ‌اخترها، این اثر را تقویت و احتمال آشکارکردن آن را بالا می‌برد.)

گروه‌هایی که از تداخل‌سنج‌های لیزری زمینی استفاده می کنند در ایتالیا، آلمان و ایالات متحده مستقر هستند. فیزیکدانان این گروه‌ها برای سالیان متمادی چندین پتابایت (هر پتا برابر 10 به توان 15 است) داده را بررسی کرده‌اند، بدون این‌که حتی کوچکترین نشانه‌ای دال بر وجود امواج گرانشی به‌دست آورند.

با این حال گروه‌های زمینی خوش‌شانس بوده و ردپای امواج گرانشی را در یک اتفاق نادر، یعنی ادغام دو ستاره نوترونی مجاور هم کشف کرده‌اند. اما تا زمانی که آشکارساز اصلی گروه، رصدخانه تداخل‌سنجی لیزری امواج گرانشی (LIGO) در لوییزیانا در سال 2015 / 1394 ارتقاء یابد، نمی‌توان داده‌های لازم را جمع‌آوری کرد. در آن زمان این تداخل‌سنج حساسیت کافی را برای جمع‌آوری امواج گسیل شده از چنین حجم عظیمی خواهد داشت. بنابراین رادیو اخترشناسان شانس این را دارند که زودتر امواج گرانشی را کشف کنند.

بروس آلن، مدیر انستیتو فیزیک گرانشی ماکس پلانک در هانوفر آلمان که تحلیل داده‌های مشترک را بین آشکارسازهای زمینی مدیریت می‌کند، اعتقاد دارد گروه تپ‌اخترها یک شانس خیلی خوب برای شکست دادن آشکارسازهای زمینی دارند و از نظر وی، این یک مسابقه واقعی است و برنده این رقابت، قطعا موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک خواهد شد.

پایان مسابقه کشف امواج گرانشی که نزدیک به یک قرن از آغاز آن گذشته، آغازی برای علم اخترشناسی امواج گرانشی خواهد بود. در حال حاضر رویکردهای گوناگون پدیده‌های مختلفی را دنبال می‌کنند. درحالی‌که تداخل‌سنج‌ها به دنبال ضربان‌های سریع ناشی از ادغام ستاره‌های نوترونی هستند، زمان‌سنج‌های تپ‌اختری سیگنال‌های پس‌زمینه‌ای قوی‌تر و با فرکانس پایین‌تر را جستجو می‌کنند که از ادغام سیاه‌چاله‌های فوق سنگین در مرکز کهکشان‌های دور می‌آیند. آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزری (LISA) که یک ماموریت فضایی چندین میلیارد دلاری مشترک بین ناسا و آژانس فضایی اروپا است، نسبت به فرکانس‌های میانی امواج گرانشی حساس است که مربوط به رخدادهایی مانند ادغام کوتوله‌های سفید است. ماموریت لایزا متشکل از 3 ماهواره خواهد بود که رئوس یک مثلث متساوی‌الاضلاع به ضلع 5 میلیون کیلومتر را در فضا تشکیل می‌دهند و همانند یک تداخل‌سنج بزرگ در فضا کار می‌کنند.

بنابر اظهارات توماس پرنس، اخترفیزیکدان موسسه تکنولوژی کالیفرنیا، کالتک و از دانشمندان ماموریت LISA، تداخل‌سنج‌های زمینی و فضایی برای شناسایی رخدادهای گرانشی بهتر هستند. اما رنسام معتقد است که در مقام مقایسه، آرایه‌های زمانی تپ‌اختری بسیار ارزان‌ترند. وی می‌گوید: «روش جدید به‌جای آن‌که آشکارسازی مانند LIGO نیاز داشته باشد که ساخت آن 300 میلیون دلار هزینه داشت و ارتقاء آن نیز 200 میلیون دلار دیگر هزینه می‌برد، از رادیو تلسکوپ‌های موجود استفاده می‌کند.»

شناسایی شدیدترین رخدادهای عالم نیاز به حساسیت فوق‌العاده‌ای دارد. در روش استفاده از آرایه‌های زمانی تپ اختری این حساسیت از جنس زمان و در روش تداخل‌سنجی از جنس مکان است. تداخل‌سنج‌ها قبلا موقعیت اجرام آزمون خود را با دقت یک در میلیون میلیون میلیارد (10 به توان منفی 21) مشخص کرده‌اند. پرنس این دقت را به اندازه‌گیری فاصله نزدیک‌ترین ستاره به زمین با دقتی معادل ضخامت موی انسان تشبیه می‌کند.

تنظیم برای تبیان:

م.ح.اربابی فر